城市污泥和煤混燃特性的熱重分析法研究

第18卷第6期熱能動(dòng)力工Vol. 18 No 62003年11月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERNov.,2003文章編號:001-206(20006-0561-03城市污泥和煤混燃特性的熱重分析法研究顧利鋒陳曉平趙長(cháng)遂吳新〔東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電與燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇南京210095)摘要利用熱重分析法對某城市污泥和某煤種及其兩者混2.2試驗條件合物的著(zhù)火溫度、活化能及綜合燃燒特性等參數進(jìn)行了研試樣粒度:<200目(0.074mm)按比例混合均究。試驗結果表明混合試樣和煤相比其活化性能得到了提勻后取樣高著(zhù)火溫度提前綜合燃燒性能下降。在混燃過(guò)程中煤和試驗氛圍空氣流量85mL/min左右城市污泥基本上保持了各自的揮發(fā)分析岀特性煤的燃燒表試樣質(zhì)量xmg左右現得更為明顯。升溫速率:20℃/min,升溫至1000℃后恒溫5關(guān)鍵詞城市污泥煤混燃熱重分析法中圖分類(lèi)號IK16文獻標識碼:A2.3試驗內容通過(guò)對TG曲線(xiàn)和DIG曲線(xiàn)的分析來(lái)研究某城前言市污泥和某煤種按不同比例摻混后著(zhù)火溫度、活化能和綜合燃燒特性指數等參數的變化規律。各試樣城市污泥是城市廢水處理的終端產(chǎn)物。城市污的成分分析如表1所示。本文采用加權平均的方法泥即使經(jīng)過(guò)脫水處理后水分仍較多熱值較低若直來(lái)計算污泥和煤混合后的成分。接作為燃料不易穩定燃燒而且燃燒產(chǎn)生的熱量較難滿(mǎn)足工業(yè)鍋爐供熱和發(fā)電的需要。因此考慮將城表1試樣成分分析市污泥脫水后和煤混合作為鍋爐燃料,為城市污泥試樣編號1號試樣2號試樣3號試樣4號試樣5號試樣混合比例煤污泥)1:02:11:11:2的最終處理尋求一條經(jīng)濟合理的途徑以便達到節業(yè)分析/%揮發(fā)分A29.5637.3041.1745.0352.77約能源、提高企業(yè)經(jīng)濟效益和保護環(huán)境的目的。為定碳FC44.61329127.0621.209.50了對城市污泥和煤的混料的燃燒規律有一個(gè)基本的灰分A23.6525.1125.8426.6028.06元素分析碳C58.8447.1341.2735.4123.70了解我們利用熱重分析法對其進(jìn)行了初步的研究,氫3.534.104.394.675.24硫為其今后的工業(yè)應用提供一定的理論依據。0.560.660.70.760.86氮N0.92.212.853.4910.3016.1119,0121,9027.712試驗部分3試驗結果與分析2.1試驗裝置3.1單一及混合試樣的動(dòng)力學(xué)分析試驗采用法國 Setaran公司TGA92型熱重-差忽略溫度對活化能的影響并假設反應符合簡(jiǎn)熱分析儀可獲得試樣的熱重曲線(xiàn)、微商熱重曲線(xiàn)單動(dòng)力學(xué)方程即:差熱曲線(xiàn)和熱流曲線(xiàn)。主要技術(shù)數據如下熱天平精度⑩.1緦g最大試樣量200mg溫度精中國煤化工度:±2℃溫度范圍室溫~1600℃試驗氣氛空式中CNMH常數i一反應級數氣、惰性氣體升溫速率0.01~99.99℃/mina-轉化率定義如下收稿日期003-02-28;修訂日期2003-04基金項目江蘇省建設廳基金資助項目JS20)江蘇省科技廳基金資助項目(BS2001029)作者簡(jiǎn)介瘋科數據-)男江蘇海門(mén)人東南大學(xué)碩士研究生562熱能動(dòng)力工程2003年Wa= Wo- w(2)3.2.2燃盡溫度的確定本文將試樣失重占總失重99%時(shí)對應的溫度式中W和W分別為試樣的初始質(zhì)量和反應結束定義為燃盡溫度t。時(shí)的質(zhì)量,W是時(shí)間τ時(shí)試樣的質(zhì)量。由3.2.3綜合燃燒特性指數的確定Arrhenius阿累尼烏斯)公式得為了全面評價(jià)試樣的燃燒情況我們采用文獻ks de rt3)[3]中描述煤的綜合燃燒特性指數S來(lái)對我們試驗式中:—頻率因子;E—活化能R—理想氣體常中的單一試樣和混合試樣的燃燒情況進(jìn)行描述數;7一試樣溫度。dw/dt m( dw/dt定義升溫速率(9)p dr(4)式中S一綜合燃燒特性指數〔d/d)為最大燃燒速度%/min(dw/dz)為平均燃燒速度%/minT聯(lián)立式(1)~式4),可以得到為著(zhù)火溫度K江r為燃盡溫度K綜合燃燒特性指數dt p(1-ay〔5)全面反映了試樣的著(zhù)火和燃盡性能S的值越大說(shuō)明試移項積分得樣的綜合燃燒性能越好。各試樣燃燒特性參數如表3所示。各試樣燃燒(1-aydT(6)特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖試取n=1參考文獻1]積分并整理上式后得到:3.3燃燒特性分析=[(1-2F比較表3中的數據我們發(fā)現隨著(zhù)在煤中摻入E污泥比重的增大,試樣的著(zhù)火溫度由390℃提前到280℃燃盡溫度也相應地由740℃提前到704℃。令1-2TE由于大部分E的數由表1中的數據我們看到污泥中的揮發(fā)分含量很值較大對一般范圍的反應溫區而言a的值幾乎都高達到527%而比較難燃的固定碳的比重相當是常數令b=R=7y=-(1小為9.50%因此污泥極易燃燒燃盡溫度相對也E較低。煤和城市污泥相混后:由于污泥中的揮發(fā)分則有:能夠在較低的溫度下迅速析出使得試樣的著(zhù)火性Y= a+ bX能得到了較大的改善。在燃燒動(dòng)力學(xué)參數中活化由上式作圖求出該直線(xiàn)的斜率,即可方便地求出能是一個(gè)十分重要的參數,它代表反應物的分子由化能E和頻率因子A各試樣的動(dòng)力學(xué)參數如表2所初始穩定狀態(tài)變?yōu)榛罨肿铀栉盏哪芰??；罨?。由?可知我們將單一試樣和混合試樣的整個(gè)能比著(zhù)火溫度更能從本質(zhì)上描述試樣的著(zhù)火性能燃燒過(guò)程當作一級反應來(lái)描述是比較合理的。比較表2中的數據我們發(fā)現1號試樣煤)活化3.2燃燒特性參數的確定能為%6.1kJ/mol而2號試樣2l煤/污泥)活化3.2.1著(zhù)火溫度的確定能即減少為56.0kJ/mol這說(shuō)明在煤中加入少量的本文采用TG-DG法21來(lái)確定試樣的著(zhù)火溫污泥就可使其活化性能得到較大的提高。隨著(zhù)試樣度中污泥比重的增大,著(zhù)火溫度提前活化性能提高,兩者的變化趨勢是一致的。表2試樣燃燒動(dòng)力中國煤化工式樣編號擬合方相關(guān)系數CNMH活化能/ml號試樣0.993002號試樣Y=-4.41093-6740.08812X0.990852077.256.03號試樣Y=-4.43719-6646.34129X0.979824號試樣0.96169Y=-7.76766-3590.46928X0.96770第6期顧利鋒等城市污泥和煤混燃特性旳熱重分析法研究563表3試樣燃燒特性參數表泥含量較小或者和煤的含量相當時(shí)次峰并不明顯試樣編號t/℃/℃(dm((dm(1m5×10p只有當污泥的含量較大時(shí)次峰表現得才較為突出1號試樣3907409.974在發(fā)生燃燒反應的溫度區間內混合試樣DrG曲線(xiàn)3.982號試樣3707307.462的變化趨勢和煤的DTG曲線(xiàn)變化趨勢更為接近這3號試樣3507257.3752.933些表明在混合試樣的燃燒過(guò)程中煤的燃燒表現得更4號試樣3007184.7562.7590.403為明顯5號試樣2807045.3281號試樣從表3中的數據還發(fā)現隨著(zhù)試樣中污泥比重·-2號試樣4-3號試樣的增大,試樣的綜合燃燒特性指數由0.892×10-4號試樣◆-5號試樣min-2K-3減小為0.399×10- II min-2K-3,表明其綜合燃燒性能逐漸下降。分析表1中的數據我們發(fā)現盡管污泥中揮發(fā)分的含量很大但是所占份額最多的是氧元素占整個(gè)揮發(fā)分含量的52.5%。氧雖米然能助燃但是它在試樣中的含量比之大氣中氧含量是微不足道的。城市污泥中的氮元素含量(476%池要比煤中的含量(0.94%)很多但是氮既0100200300400500600700800不可燃燒又無(wú)助燃作用而且在燃燒反應中會(huì )生成溫度/℃有害氣體NOx。氫和硫是可燃元素其中硫的發(fā)熱量較低而氫的發(fā)熱量最高。但是不管是在煤中還是在城市污泥中兩者的含量都很小且相差不大。碳圖1試樣燃燒特性曲線(xiàn)元素在煤和城市污泥中的比重都是最大的,且碳的4結論發(fā)熱量很高在燃燒中起主導作用。通過(guò)比較表1中的數據我們發(fā)現煤中碳元素的含量為58.84%針對我們所選的某城市污泥和某煤種對其單而城市污泥中碳元素含量為23.70%前者將近為獨及按不同比例混合后進(jìn)行的熱重試驗表明迕煤后者的2.5倍。從表3中的數據還發(fā)現煤的最大中摻入城市污泥后,混合試樣和煤相比其活化性能燃燒速度和平均燃燒速度分別為9.974%min和得到提高著(zhù)火溫度提前但是綜合燃燒性能卻是下3.982%/mi分別大于城市污泥旳5.328%/mi和降旳。在混合試樣的燃燒過(guò)程中煤和污泥基本上2.235%/min可見(jiàn)煤燃燒起來(lái)要比城市污泥劇烈得保持了眢自的揮發(fā)分析岀特性煤的燃燒表現得更多。當煤和城市污泥混合后盡管著(zhù)火溫度和燃盡溫為明顯。度有所提前但是燃燒的劇烈程度明顯下降其綜合燃燒性能下降。參考文獻由圖1我們發(fā)現混合試樣DTG曲線(xiàn)上的最大[1]陳鏡泓李傳儒熱分析及其應用M北京科學(xué)出版社1985燃燒峰對應溫度在500℃左右和煤的DG曲線(xiàn)燃[2]聶其紅孫紹增褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研冠J燃燒峰所對應的溫度基本一致D曲線(xiàn)上還可以[31陳建原煤粉著(zhù)火過(guò)程與著(zhù)火模型的研究D1武沒(méi)華中理工看到在此之前有一個(gè)次峰所對應的溫度在320℃左右和污泥DrG曲線(xiàn)燃燒峰所對應的溫度基本H中國煤化工致這表明混合試樣燃燒時(shí)試樣中的煤和污泥基本CNMHG(輝編輯)上保持了各自的揮發(fā)分析出特性。當混合試樣中污